ما هو غشاء التناضح العكسي وكيف يعمل؟

A غشاء التناضح العكسي (RO). عبارة عن حاجز ترشيح شبه منفذ يزيل الملوثات الذائبة من الماء عن طريق إجبارها على المرور عبر طبقة بوليمر كثيفة تحت الضغط. يرفض ما يصل إلى 99% من الأملاح الذائبة والمعادن الثقيلة والبكتيريا والفيروسات والملوثات الأخرى مع السماح لجزيئات الماء بالمرور، مما يؤدي إلى إنتاج مياه أنظف من معظم مصادر مياه الصنبور والمياه المعبأة. وهو المكون الوظيفي الأساسي لأي نظام ترشيح بالتناضح العكسي، سواء تم استخدامه في وحدة منزلية تحت المغسلة، أو محطة تحلية صناعية، أو عملية تنقية دوائية.

على عكس المرشحات الميكانيكية التي تحجب الجسيمات فعليًا حسب الحجم، يعمل غشاء RO على المستوى الجزيئي - حيث تكون مسامه تقريبية 0.0001 ميكرون (0.1 نانومتر) ويبلغ قطرها حوالي 500000 مرة أصغر من شعرة الإنسان. وهذا يجعلها فعالة ضد الملوثات التي تمر بحرية عبر مرشحات الكربون وأغشية الترشيح الفائق على حد سواء.

العلم وراء كيفية عمل غشاء التناضح العكسي

لفهم التناضح العكسي، من المفيد أولاً فهم التناضح المنتظم. في التناضح الطبيعي، يتحرك الماء تلقائيًا عبر غشاء شبه منفذ من منطقة ذات تركيز منخفض من المذاب إلى منطقة ذات تركيز عالي من المذاب، مما يعادل التركيز على كلا الجانبين. ويسمى الضغط الذي يقود هذه الحركة الطبيعية بالضغط الأسموزي.

يطبق التناضح العكسي ضغطًا خارجيًا أكبر من الضغط الأسموزي لإجبار الماء في الاتجاه المعاكس – من الجانب المركز (الملوث) إلى الجانب المخفف (النظيف). يسمح الغشاء لجزيئات الماء بالمرور ولكنه يرفض الأيونات الذائبة والجزيئات والجسيمات الكبيرة جدًا أو المشحونة كهربائيًا بحيث لا يمكنها المرور.

بالنسبة لمياه الصنبور البلدية النموذجية، يكون الضغط الاسموزي منخفضًا - حوالي 5-15 رطل لكل بوصة مربعة. تعمل أنظمة RO للاستخدام المنزلي في 50-80 رطل لكل بوصة مربعة ، أعلى بكثير من هذه العتبة. يجب أن تتغلب أنظمة تحلية مياه البحر على الضغوط الأسموزي التي تتراوح بين 350-600 رطل لكل بوصة مربعة، ولهذا السبب تتطلب أنظمة التناضح العكسي الصناعية مضخات عالية الضغط.

تيارات الإخراج اثنين

ينتج كل غشاء RO تيارين من الماء في وقت واحد:

• تتخلل (الماء المنتج): الماء النقي الذي يمر عبر الغشاء، يحتوي عادةً على أقل من 1% من المواد الصلبة الذائبة الأصلية.
• التركيز (رفض أو محلول ملحي): المياه المتبقية تحمل الملوثات المرفوضة، والتي يتم شطفها لتصريفها. في الأنظمة السكنية، معدلات الاسترداد النموذجية هي 50-75% — مما يعني أنه يتم تصريف 1-3 لترات من الماء لكل لتر من المياه النقية المنتجة.

يمكن لأغشية وأنظمة RO الحديثة عالية الكفاءة المزودة بمضخات متخللة أو تصميمات ذات حلقة مغلقة تحقيق معدلات استرداد تزيد عن 80%، مما يقلل بشكل كبير من هدر المياه مقارنة بالتصميمات القديمة.

الهيكل المادي لغشاء التناضح العكسي

يمكن أن يشير مصطلح "غشاء RO" إما إلى الطبقة الوظيفية الرقيقة نفسها أو إلى عنصر الغشاء الكامل - وهو الشكل المعبأ الذي يتم فيه بيع الأغشية وتركيبها. فهم الفرق مهم عند مقارنة المواصفات.

هيكل طبقة الأغشية الرقيقة المركبة (TFC).

تستخدم جميع أغشية RO الحديثة تقريبًا مركب الأغشية الرقيقة (TFC) يتكون البناء من ثلاث طبقات متميزة مرتبطة ببعضها البعض:

1. شبكة دعم من البوليستر (بسماكة 120 ميكرومتر تقريبًا): الطبقة الأساسية الهيكلية التي توفر القوة الميكانيكية. لا يشارك في الترشيح ولكنه يمنع الغشاء من التمزق تحت الضغط.
2. الطبقة البينية من البولي سلفون الصغيرة المسامية (~ 40 ميكرون): طبقة وسطية تشبه الإسفنج توفر ركيزة موحدة للطبقة النشطة مع السماح بمرور الماء بحرية نسبيًا.
3. طبقة البولياميد النشطة (~0.2 ميكرومتر): حاجز الترشيح الفعلي، يتكون من البلمرة البينية لمادة فينيلينيديامين م وكلوريد ترايميسويل. تحتوي هذه الطبقة على المسام النانوية التي ترفض الملوثات الذائبة. على الرغم من أن سمكه يبلغ 200 نانومتر فقط، إلا أنه مسؤول بشكل أساسي عن أداء فصل الغشاء بالكامل.

حلت أغشية TFC محل أغشية خلات السليلوز (CA) القديمة في معظم التطبيقات لأنها توفر ذلك معدلات رفض أعلى (98-99.7% مقابل 85-95%)، وتحمل أوسع للأس الهيدروجيني (2-11 مقابل 4-8)، وعمر خدمة أطول . يتمثل القيد الرئيسي لها في الحساسية تجاه الكلور الحر، الذي يؤدي إلى تدهور طبقة البولياميد - ولهذا السبب يعد الترشيح المسبق للكربون ضروريًا في أنظمة المياه البلدية المكلورة.

تكوين عنصر الجرح الحلزوني

لتعظيم مساحة سطح الغشاء داخل غلاف مدمج، يتم تصنيع أغشية TFC عناصر الجرح الحلزوني . يتم تصفيح صفائح الغشاء المسطحة بفواصل شبكية ويتم لفها بإحكام حول أنبوب تجميع مركزي مثقوب، مثل التمرير المطوي. يحتوي العنصر السكني القياسي 75 GPD (جالون في اليوم) مع مبيت مقاس 1.8 × 12 بوصة تقريبًا 0.5-0.7 متر مربع من منطقة الغشاء النشط . عنصر صناعي كامل الحجم 4 × 40 بوصة يحتوي على 7-10 متر مربع.

يتدفق ماء التغذية بشكل محوري على طول الجزء الخارجي من التمرير من خلال الفواصل الشبكية؛ يتخلل الماء النقي عبر الغشاء ويتجه نحو الداخل نحو أنبوب التجميع المركزي؛ يخرج الماء المرفوض المركز من نهاية العنصر.

ما هي الملوثات التي يزيلها غشاء التناضح العكسي

ترفض أغشية RO الملوثات من خلال آليتين: استبعاد الحجم (الجزيء أكبر من أن يمر عبر المسام) و تنافر الشحنة (يتم صد الأيونات الذائبة بواسطة سطح مادة البولي أميد المشحونة سالبًا). تختلف معدلات الرفض حسب نوع المادة الملوثة ودرجة الحرارة والضغط وحالة الغشاء.

أحد القيود المهمة: أغشية RO لا تزيل بشكل فعال الغازات الذائبة (CO₂، الرادون، كبريتيد الهيدروجين) لأن جزيئات الغاز صغيرة بما يكفي للمرور عبر بنية البوليمر. كما تظهر الكلورامينات وبعض المبيدات ذات الأوزان الجزيئية الصغيرة معدلات رفض منخفضة مقارنة بالمواد الصلبة الذائبة الأكبر حجمًا.

أنواع أغشية التناضح العكسي وتطبيقاتها

يتم تصنيع أغشية RO في عدة تكوينات محسنة لمصادر المياه المختلفة ونطاقات الضغط ومتطلبات الإخراج.

أغشية المياه المالحة

النوع الأكثر شيوعًا للاستخدام السكني والتجاري الخفيف. مصممة لتغذية المياه مع TDS (إجمالي المواد الصلبة الذائبة) من 500 إلى 10.000 ملغم/لتر تعمل عند 50-200 رطل لكل بوصة مربعة. تستخدم أنظمة التناضح العكسي المنزلية القياسية أغشية المياه قليلة الملوحة بمعدل يتراوح بين 50-100 جالونًا في اليوم. تحقق هذه الأغشية رفض الملح بنسبة 96-99% في ظل ظروف الاختبار (25 درجة مئوية، 250 رطل لكل بوصة مربعة، 2000 ملجم/لتر من كلوريد الصوديوم).

أغشية مياه البحر

تم تصميمها لمياه التغذية التي تحتوي على TDS أعلى من 10,000 ملجم/لتر (متوسط مياه البحر 35,000 ملجم/لتر). تحتوي هذه الأغشية على طبقة نشطة أكثر كثافة 99.3-99.8% رفض الملح ولكنها تتطلب ضغوط تشغيل تتراوح بين 600-1200 رطل لكل بوصة مربعة. يتم استخدامها حصريًا في محطات تحلية المياه واسعة النطاق ولا يمكن استبدالها بأغشية المياه قليلة الملوحة.

أغشية منخفضة الطاقة / عالية التدفق

فئة أحدث مصممة لتوفير تدفق تخلل أعلى عند ضغوط تشغيل أقل - عادةً 45-60 رطل لكل بوصة مربعة للتطبيقات السكنية. تضحي هذه الأغشية بكمية صغيرة من أداء الرفض (95-97% مقابل 97-99%) مقابل معدلات إنتاج أسرع واستهلاك أقل للطاقة. يتم استخدامها بشكل متزايد في أنظمة RO "الفورية" بدون خزان.

أغشية الترشيح النانوي (NF).

من الناحية الفنية، هناك فئة منفصلة ولكنها مرتبطة ارتباطًا وثيقًا، حيث تحتوي أغشية NF على مسام أكبر قليلاً من أغشية RO (0.001 ميكرون مقابل 0.0001 ميكرون). وهي تعمل عند ضغوط منخفضة وتمرر الأيونات أحادية التكافؤ (الصوديوم والكلوريد) بينما ترفض الأيونات ثنائية التكافؤ (الكالسيوم والمغنيسيوم) والجزيئات العضوية. يستخدم NF بشكل شائع لتليين المياه والإزالة العضوية حيث لا تكون هناك حاجة إلى التحلية الكاملة.

مواصفات الأداء الرئيسية وماذا تعني

عند تقييم أو مقارنة أغشية RO، تؤثر العديد من المواصفات المنشورة بشكل مباشر على أداء النظام في ظروف العالم الحقيقي.

لاحظ أنه يتم قياس أرقام GPD وأرقام الرفض المقدرة في ظروف الاختبار القياسية: 77 درجة فهرنهايت (25 درجة مئوية)، و60-65 رطل لكل بوصة مربعة من ضغط التغذية، و500 ملجم/لتر من كلوريد الصوديوم من ماء التغذية. . سيختلف الأداء في العالم الحقيقي - يمكن أن يقلل الماء البارد (أقل من 60 درجة فهرنهايت) من الإخراج بنسبة 40-50%، كما أن ضغط التغذية المنخفض (أقل من 40 رطل لكل بوصة مربعة) يقلل بشكل كبير من الإخراج والرفض.

العوامل التي تؤدي إلى تدهور أداء غشاء RO مع مرور الوقت

يجب أن يستمر غشاء RO الذي يتم صيانته جيدًا في نظام مصمم بشكل صحيح 2-5 سنوات في الاستخدام السكني و3-7 سنوات في التطبيقات التجارية. هناك عدة شروط تسرع التدهور:

التعرض للكلور والكلورامين

يؤدي الكلور الحر إلى أكسدة الطبقة النشطة من مادة البولي أميد، مما يتسبب في حدوث ثقوب مجهرية تقلل تدريجيًا من رفض الملح. حتى التعرض في 0.1 جزء في المليون من الكلور المستمر سوف يؤدي إلى تحلل غشاء TFC بشكل ملموس خلال 6-12 شهرًا. يجب استبدال مرشحات كتلة الكربون المسبقة في الموعد المحدد - عادةً كل 6-12 شهرًا - للحفاظ على الحماية الكافية من الكلور.

التحجيم (تراكم الودائع المعدنية)

يمكن أن تترسب كربونات الكالسيوم وكبريتات الباريوم والسيليكا على سطح الغشاء بينما يتركز الماء في تيار الرفض. يؤدي التحجيم إلى تقليل تدفق التخلل وزيادة متطلبات ضغط التشغيل. الماء العسر مع TDS أعلاه 500 ملغم / لتر يشكل خطرًا مرتفعًا للتحجيم. تعمل الجرعات المضادة للتكلس أو المعالجة المسبقة لمنقي الماء على تخفيف ذلك في التطبيقات عالية الصلابة.

الحشف الحيوي

تستعمر البكتيريا سطح الغشاء وتشكل أغشية حيوية تمنع تدفق النفاذية وتسبب التلوث البيولوجي. يتم تسريع عملية الحشف الحيوي عن طريق المياه الراكدة (الأنظمة التي تُترك دون استخدام لفترات طويلة)، وعدم كفاية الترشيح المسبق، ودرجات حرارة مياه التغذية الدافئة التي تزيد عن 30 درجة مئوية. إن تعقيم النظام كل 6-12 شهرًا باستخدام مطهر آمن للطعام يمنع تراكم الأغشية الحيوية بشكل كبير.

الأضرار الجسدية الناجمة عن ارتفاع الضغط

يمكن أن تؤدي أحداث المطرقة المائية - ارتفاع الضغط المفاجئ نتيجة إغلاق الصمام أو بدء تشغيل المضخة - إلى تشويه عنصر الغشاء فعليًا. يتجاوز ضغط التغذية باستمرار الحد الأقصى للضغط المقدر للغشاء ( عادة 100-120 رطل لكل بوصة مربعة للأغشية السكنية ) يضغط بنية العنصر بشكل لا رجعة فيه، مما يقلل من قنوات التدفق والأداء.

كيف تعرف متى يحتاج غشاء RO الخاص بك إلى الاستبدال

على عكس مرشحات الرواسب أو الكربون التي تظهر علامات واضحة للإرهاق، يتطلب غشاء RO المتدهور قياسًا لتقييمه بدقة. يعد الاعتماد على الوقت وحده (على سبيل المثال، "الاستبدال كل عامين") بمثابة تقدير تقريبي. هذه هي المؤشرات الموثوقة:

• ارتفاع TDS في تتخلل: المؤشر الأكثر مباشرة. قم بقياس مياه التغذية وتخلل TDS باستخدام مقياس TDS غير مكلف. معدل الرفض أدناه 85% في نظام يحتوي على مرشحات مسبقة تعمل بشكل صحيح، يشير عادةً إلى تدهور الغشاء. يجب أن تظهر الأغشية الجديدة رفضًا بنسبة 95-99%.
• انخفاض كبير في معدل الإنتاج: إذا كان النظام الذي كان يملأ خزان التخزين الخاص به سابقًا خلال 2-3 ساعات يستغرق الآن 6-8 ساعات مع عدم تغيير ضغط التغذية ودرجة الحرارة، فقد انخفض تدفق الغشاء بسبب التلوث أو التدهور المادي.
• زيادة نسبة الصرف إلى المنتج: إذا كان تيار الرفض يتدفق بشكل أسرع بكثير بالنسبة إلى المادة المتخللة عما كان عليه عندما كان النظام جديدًا، فإن مقاومة الغشاء تزداد - غالبًا ما تكون علامة على التحجيم أو الحشف الحيوي.
• تغيرات الطعم أو الرائحة في ماء المنتج: يمكن أن يشير التدهور المفاجئ في الطعم أو عودة رائحة الكلور بعد الترشيح اللاحق للكربون إلى وجود خرق في الغشاء مما يسمح للمياه غير المعالجة بتجاوز عملية الترشيح.

اختيار غشاء RO المناسب لتطبيقك

يتضمن اختيار غشاء بديل أو ترقية مطابقة مواصفات الغشاء مع مصدر المياه لديك وتصميم النظام واحتياجات الإخراج. تغطي القائمة المرجعية التالية معايير الاختيار الحاسمة:

1. قياس مياه التغذية الخاصة بك TDS. إذا كانت نسبة المواد الصلبة الذائبة في مياه الصنبور لديك أقل من 2000 ملغم/لتر (النموذجي للمياه البلدية)، فإن غشاء المياه المالحة القياسي يكون مناسبًا. قد تستفيد مياه الآبار التي تزيد عن 2000 ملغم / لتر من غشاء عالي الرفض.
2. تحقق من ضغط مياه التغذية. يجب أن تستخدم الأنظمة التي تعمل بضغط منخفض (35-50 رطل لكل بوصة مربعة) غشاء منخفض الطاقة مُصنف لهذا النطاق. سوف تنتج الأغشية القياسية عند الضغط المنخفض انخفاضًا في الإنتاج وتظهر رفضًا منخفضًا.
3. تطابق حجم الغشاء مع السكن الخاص بك. تأتي الأغشية السكنية بأحجام قياسية: 1.8 بوصة × 12 بوصة (الأكثر شيوعًا للأنظمة ذات 5 مراحل تحت الحوض) و1.8 بوصة × 11.75 بوصة لبعض الأنظمة المدمجة. العناصر الصناعية 4 × 40 بوصة و4 بوصة × 21 بوصة غير قابلة للتبديل مع المساكن السكنية.
4. اختر الطاقة الإنتاجية (GPD) بناءً على طلب الأسرة. عادة ما تحتاج عائلة مكونة من 4 أفراد تستخدم نظام RO للشرب والطهي 50-100 GPD . يتطلب النظام بدون خزان غشاء ذو ​​تصنيف أعلى (200 جالون في اليوم) لتوصيل المياه عند الطلب دون تخزين.
5. تأكيد التوافق مع الملوثات المحددة التي تثير القلق. إذا كانت المخاوف الرئيسية هي الزرنيخ أو الفلورايد أو النترات، فاختر غشاء يحتوي على بيانات رفض معتمدة لتلك الملوثات المحددة - تتطلب شهادة NSF/ANSI Standard 58 إجراء اختبار مقابل قوائم ملوثات محددة.

للاستخدام السكني، الأغشية معتمدة ل مؤسسة العلوم الوطنية/المعهد الأمريكي للمعايير 58 تم اختبارها والتحقق منها بشكل مستقل فيما يتعلق بمطالبات سلامة المواد والحد من الملوثات. هذه الشهادة هي الضمان الأكثر موثوقية للأداء في العالم الحقيقي ويجب أن تكون الحد الأدنى من المتطلبات عند اختيار أي غشاء RO لاستخدام مياه الشرب.